DE10006231A1 - Aktuator für das Abgassystem einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Aktuator zum Ausüben einer temperaturabhängigen Stell- oder Steuerfunktion in dem Abgassystem einer Brennkraftmaschine. Der Aktuator weist ein aus einem hochtemperaturgeeigneten SMA-Material bestehendes SMA-Element auf, das in Abhängigkeit von der Abgastemperatur der Brennkraftmaschine die Stell- oder Steuerfunktion ausübt, ohne auf ein externes Energieversorgungssystem zurückgreifen zu müssen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktuator zum Ausüben einer temperaturabhängigen Stell- oder Steuerfunktion in ei­ nem Abgassystem einer Brennkraftmaschine.

Derartige Aktuatoren dienen beispielsweise dazu, ein den Ab­ gasstrom steuerndes Bypassventil in Abhängigkeit von der Ab­ gastemperatur zu verstellen. Eine andere Anwendungsmöglich­ keit ist die Steuerung des Einlaßquerschnittes einer Resona­ torkammer in einem Abgas-Schalldämpfer zur Anpassung der Re­ sonanzfrequenz der Resonatorkammer an die veränderlichen Tem­ peraturbedingungen. Derartige Aktuatoren bestehen üblicher­ weise aus einem elektrischen oder magnetischen Motor, einer pneumatisch oder hydraulisch betätigten Stellvorrichtung oder dgl., die in Abhängigkeit von einem Temperatursignal eines Temperatursensors die betreffende Stell- oder Steuerfunktion ausüben.

Derartige Aktuatoren sind konstruktiv aufwendig, haben einen großen Platzbedarf und erfordern wegen des Temperatursensors einen entsprechenden steuerungs- und regeltechnischen Auf­ wand. Außerdem führt die Verbindung zwischen der außerhalb des Abgasstroms angeordneten Stellvorrichtung und dem übli­ cherweise im heißen Abgasstrom angeordneten Funktionsglied häufig zu Schwierigkeiten, insbesondere zu Abdichtungsproble­ men.

Aus der EP 0 343 515 A2 ist ein Aktuator für die Drosselklap­ pe eines Ansaugsystems einer Brennkraftmaschine bekannt, dem eine temperaturempfindliche Schraubenfeder aus einer Legie­ rung mit Formgedächtnis (SMA = Shape Memory Alloy) zugeordnet ist. Der eigentliche Aktuator besteht in üblicher Weise aus einem unterdruckbetätigten Stellmotor, wobei die auf die Mo­ tortemperatur ansprechende SMA-Feder lediglich zur Anschlagverstellung der Drosselklappe dient. Abgesehen davon, daß der dort offenbarte Aktuator mit der SMA-Feder in einem Bereich relativ niedriger Temperaturen arbeitet und für höhere Tempe­ raturen nicht geeignet ist, trifft für diesen Aktuator die o­ ben geschilderten Nachteile des großen Aufwandes und Platzbe­ darfes voll zu.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktuator zum Ausüben einer temperaturabhängigen Stell- oder Steuerfunktion in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine zu schaffen, der keine externe Energieversorgung benötigt und dessen konstruktiver Aufwand und Platzbedarf möglichst gering sind.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfin­ dung gelöst.

Der Aktuator gemäß der Erfindung wird im wesentlichen von ei­ nem aus einem hochtemperaturgeeigneten SMA-Material bestehen­ den SMA-Element gebildet. Unter einem SMA-Material ist eine Legierung mit Formgedächtnis (SMA = Shape Memory Alloy) zu verstehen. SMA Materialien sind üblicherweise Nickeltitanle­ gierungen, denen Barium oder ein anderes Salz zugesetzt ist, um sie für hohe Temperaturen geeignet zu machen. Somit können sie den hohen Temperaturen im Abgassystem einer Brennkraftma­ schine ausgesetzt werden.

Derartige hochtemperaturgeeignete SMA-Materialien dehnen sich bei größer werdender Temperatur aus. Sie haben üblicherweise einen Längendehnungskoeffizienten von 8% bis 10%. Die durch die Dehnung hervorgerufene Kraft, die beispielsweise dreißig bis vierzig mal so groß wie die einer Bimetallfeder ist, wird erfindungsgemäß zum Ausüben der Stell- oder Steuerfunktion ausgenutzt.

Da somit der erfindungsgemäß ausgebildete Aktuator keine ex­ terne Energieversorgung in Form eines elektrischen Motors, eines Magnetantriebes einer pneumatischen oder hydraulischen Stellvorrichtung oder dergl. benötigt, bildet er gewisserma­ ßen ein passives (self-contained) System. Der erfindungsgemäß ausgebildete Aktuator zeichnet sich daher durch konstruktive Einfachheit, kleine Anzahl von Einzelteilen, geringen Platz­ bedarf und entsprechend niedrige Herstellungskosten aus. Ins­ besondere hat er ein ausgezeichnetes Gewicht/Stellkraft- so­ wie Volumen/Stellkraft-Verhältnis. Ein zusätzlicher Tempera­ turfühler ist nicht erforderlich. Außerdem arbeitet er extrem geräuscharm. Der Arbeitsbereich, der Betriebstemperaturbe­ reich wie auch die Stellkraft des erfindungsgemäß ausgebilde­ ten Aktuators sind durch die Legierungszusammensetzung des SMA-Materials einstellbar.

Vorzugsweise ist das SMA-Element dem Abgas der Brennkraftma­ schine unmittelbar ausgesetzt, wenngleich auch eine indirekte Beheizung des SMA-Elementes möglich ist.

Das SMA-Element kann als im wesentlichen stabförmiges linear dehnbares Element oder als Schraubenfeder ausgebildet werden.

Das SMA-Element kann als Stellglied zum Verstellen eines Funktionsgliedes, beispielsweise zum Verstellen eines im Ab­ gasstrom der Brennkraftmaschine angeordneten Bypaßventils o­ der zum Steuern des Einlaßquerschnittes einer Resonatorkammer in einem Schalldämpfer verwendet werden.

Das SMA-Element kann jedoch auch selbst als Funktions- bzw. Steuerglied ausgebildet werden. So kann das SMA-Element bei­ spielsweise das bewegliche Kontaktstück eines elektrischen Schalters bilden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Bypassven­ tils im Abgassystem einer Brennkraftmaschine;

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Schalldämp­ fers im Abgassystem einer Brennkraftmaschine;

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des mit einer ellipti­ schen Linie bezeichneten Bereichs in Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung eines elektri­ schen Schalters.

Fig. 1 zeigt ein von einem Aktuator 10 betätigtes Bypassven­ til 12 im Abgassystem einer Brennkraftmaschine (nicht ge­ zeigt). Das Bypassventil 12 ist in einer T-Verzweigung ange­ ordnet, die einen von der Brennkraftmaschine kommenden Abgas­ kanal 14 in zwei Kanäle aufteilt, und zwar in einen Kanal 16, der zu einem NOx-Katalysator (nicht gezeigt) führt, und in einen Bypasskanal 18, der beispielsweise zu einem Kühlsystem zum Kühlen der heißen Abgase führt, wie noch genauer erläu­ tert wird.

Das Bypassventil 12 hat ein schaufelförmiges Ventilglied 20, das durch den Aktuator 10 zwischen zwei Stellungen verstell­ bar ist, und zwar einer in Fig. 1 durch voll ausgezogene Li­ nien dargestellten Ausgangsstellung, in der der aus dem Ab­ gaskanal 14 kommende heiße Abgasstrom (Pfeil A) in den Kanal 16 geleitet wird (Pfeil C), und einer durch gestrichelte Li­ nien dargestellten Bypassstellung, in der der Abgasstrom in den Bypasskanal 18 geleitet wird (Pfeil B). Das schaufelför­ mige Ventilglied 20 ist an einer hülsenförmigen Nabe 22 be­ festigt, die mittels eines Lagers 24 in einer Gehäusewand 26 drehbar gelagert ist.

Der Aktuator 10 besteht im wesentlichen aus einem SMA-Element 30 in Form einer Schraubenfeder, die mit ihrem (in Fig. 1) rechtsseitigen Ende am linksseitigen Ende der Nabe 22 befes­ tigt ist. Das linksseitige Ende des SMA-Elementes 30 ist an einem eiförmigen Kopf 32 eines Schaftes 34 befestigt, der sich durch die Nabe 22 erstreckt und - beispielsweise durch eine Schraubverbindung 36 - an der Gehäusewand 26 festgelegt ist.

Dem SMA-Element 30 ist eine ebenfalls als Schraubenfeder aus­ gebildete Rückholfeder 40 zugeordnet, die konzentrisch in den SMA-Element 30 angeordnet und ebenfalls mit ihren beiden En­ den an der Nabe 22 bzw. dem Kopf 32 des Schaftes 34 befestigt ist.

Die Funktionsweise des Aktuators 10 und des zugehörigen By­ passventils 12 ist wie folgt. Bei abgeschalteter Brennkraft­ maschine und bei relativ niedrigen Betriebstemperaturen in der Brennkraftmaschine zieht die Rückholfeder das SMA-Element 30 in seine "eingefahrene" Ausgangsstellung, in der das Ven­ tilglied 20 den von der Brennkraftmaschine kommenden Abgas­ strom (Pfeil A) in den zum NOx-Katalysator führenden Kanal 16 leitet. Wie dargestellt, ist das SMA-Element 30 dem Abgas­ strom ausgesetzt. Das SMA-Material des SMA-Elements 30 ist so gewählt, daß bei Überschreiten einer vorgegebenen Abgastempe­ ratur entsprechend der oberen Temperaturgrenze das für den NOx-Katalysator zulässigen Temperaturbereichs das SMA-Element 30 eine Längendehnung erfährt. Diese Längendehnung wird auf­ grund der Wendelform des SMA-Elements 30 in eine Drehbewegung am freien (rechtsseitigen) Ende des SMA-Elements umgesetzt, wodurch die Nabe 22 und damit das Ventilglied 20 in die ge­ strichelt angedeutete Bypassstellung gedreht werden. Der hei­ ße Abgasstrom wird dann in den Bypasskanal 18 geleitet, um beispielsweise einem Kühlsystem zugeführt zu werden und um dadurch eine Überhitzung des NOx-Katalysators zu vermeiden sinkt die Temperatur im Bereich des Aktuators 10 wieder unter die vorgegebene Temperatur, so stellt die Rückholfeder 40 das SMA-Element 30 in seine Ausgangsstellung zurück.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine andere Anwendungsmöglichkeit ei­ nes Aktuators 110 mit einem SMA-Element 130 und einer Rück­ holfeder 140, die beide als Schraubenfedern ausgebildet sind. Der Aktuator 110 dient zum Ändern des Einlaßquerschnittes ei­ ner Resonatorkammer 112 eines Schalldämpfers 114 im Abgassys­ tem einer Brennkraftmaschine zwecks "Geräuschtuning" in Ab­ hängigkeit von der Abgastemperatur.

Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, besteht der Schall­ dämpfer 114 aus einem Gehäuse 115, einem Einlaßrohr 116, ei­ nem Zwischenrohr 117 und einem Auslaßrohr 118. Ein Teil des Einlaßrohres 116 ist von der Resonatorkammer 112 umgeben und mit dieser durch eine seitliche Öffnung 122 verbunden.

Zum Ändern der offenen Fläche der Öffnung 122 und somit des Einlaßquerschnittes der Resonatorkammer 112 dient ein Rohr­ schieber 120, der auf dem Einlaßrohr 116 gleitend verschieb­ bar gelagert ist. Der Rohrschieber 120 ist mit einem beidsei­ tig offenen rohrförmigen Ansatz 124 versehen, dessen Quer­ schnitt dem Querschnitt der Öffnung 122 entspricht.

An der (in Fig. 3) rechten Seite des rohrförmigen Ansatzes 124 greift die gehäusefest abgestützte Rückholfeder 140 an, während an der linken Seite des rohrförmigen Ansatzes 124 das ebenfalls gehäusefest abgestützte SMA-Element 130 angreift, so daß das SMA-Element 130 und die Rückholfeder 140 in entge­ gengesetzten axialen Richtungen auf den rohrförmigen Ansatz 124 und damit auf den Rohrschieber 120 einwirken. In der in Fig. 3 dargestellten Stellung drückt die Rückholfeder 140 den rohrförmigen Ansatz 124 in Anlage mit einem am Einlaßrohr 116 angeformten Anschlag 126, so daß der rohrförmige Ansatz 124 im wesentlichen zu der Öffnung 122 fluchtet und damit die ma­ ximale Verbindung zwischen dem Einlaßrohr 116 und der Resona­ torkammer 112 herstellt.

Bekanntlich ändert sich die Resonanzfrequenz der als Helm­ holz-Resonator ausgebildeten Resonanzkammer mit der Abgastemperatur. Um ein entsprechendes "Geräuschtuning" zu erzielen, wird bei ansteigender Abgastemperatur der Einlaßquerschnitt der Resonanzkammer 112 verkleinert. Wenn somit die Abgastem­ peratur einen vorgegebenen Wert überschreitet, dehnt sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel das SMA-Element 130 aus, wodurch es den Rohrschieber 120 entgegen der Kraft der Rückholfeder 140 nach rechts (in Fig. 3) verschiebt. Im Ge­ gensatz zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 führt somit in diesem Fall das als Schraubenfeder ausgebildete SMA-Element 130 eine lineare Verstellbewegung (und keine drehende Stell­ bewegung) aus. Durch die lineare Verstellbewegung des Rohr­ schiebers 120 wird die Öffnung 122 des Einlaßrohres teilweise überdeckt (gestrichelt angedeutet), was den Einlaßquerschnitt und damit auch die Resonanzfrequenz der Resonatorkammer 112 verringert. Sinkt die Abgastemperatur wieder unter die vorge­ gebene Temperatur, so stellt die Rückholfeder 140 den Rohr­ schieber 120 in seine Ausgangsstellung zurück.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Ak­ tuators 210 dient das SMA-Element 230 nicht zum Verstellen eines Funktionsgliedes; vielmehr ist das SMA-Element selbst als Funktionsglied bzw. Steuerglied ausgebildet, und zwar als bewegliches Kontaktstück eines elektrischen Schalters 212. Ferner ist das SMA-Element 230 im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsbeispielen nicht als Schraubenfeder, sondern als im wesentlichen stabförmiges, linear dehnbares Element ausge­ bildet, wie noch genauer erläutert wird.

Der Schalter 212 besteht aus einem metallischen Gehäuse 212, einem daran befestigten Verbinder 216, der beispielsweise aus einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff besteht, und zwei Kontaktstiften 218, 220 mit Kontakten 222, 224. Die Kontakt­ stifte 218, 220 durchdringen den Verbinder 216 so, daß ihre freien Enden nach außen ragen und ihre an den inneren Enden vorgesehenen Kontakte 222, 224 in einer Ausnehmung 228 des Gehäuses 214 liegen.

Das SMA-Element 230, das ebenfalls in der Ausnehmung 228 an­ geordnet ist, besteht aus einem querschnittsdickeren Ab­ schnitt 232 und einem querschnittsgeringeren Abschnitt 234, an dessen freien Ende ein Kontakt 238 vorgesehen ist. Der querschnittsdickere Abschnitt 232 des SMA-Elementes 230 ist mit seinem hinteren Ende im Gehäuse 214 festgelegt, bei­ spielsweise durch Walzen, wie durch Walzringe 236 schematisch angedeutet ist. Das SMA-Element 230 erfährt somit bei einem Temperaturanstieg eine Längsdehnung insbesondere in dem quer­ schnittsgeringeren Abschnitt 234, wie durch den Pfeil E sche­ matisch angedeutet ist.

Das Gehäuse 214 ist mit einem Gewinde 226 versehen, so daß es z. B. in das Abgasrohr einer Brennkraftmaschine (nicht ge­ zeigt) eingeschraubt werden kann. Das SMA-Element 230 ist da­ durch dem Abgasstrom ausgesetzt. Übersteigt die Abgastempera­ tur einen vorgegebenen Wert, so dehnt sich das SMA-Element 230 so, daß sich sein an dem Kontakt 222 des Kontaktstiftes 218 gleitender Kontakt 238 an den Kontakt 224 des Kontakt­ stiftes 220 anlegt. Dadurch werden die Kontakte 222, 224 der Kontaktstifte 218, 220 miteinander verbunden, wodurch der Schalter 212 geschlossen wird.

Der auf die Abgastemperatur reagierende Schalter 212 läßt sich in vielfältiger Weise für Sensor- und Schaltfunktionen im Abgassystem einer Brennkraftmaschine einsetzen.

Claims (17)

1. Aktuator zum Ausüben einer temperaturabhängigen Stell- o­ der Steuerfunktion in einem Abgassystem einer Brennkraftma­ schine, mit aus einem hochtemperaturgeeigneten SMA-Material bestehenden SMA-Element (30; 130; 230), das in Abhängigkeit von der Abgastemperatur der Brennkraftmaschine die Stell- o­ der Steuerfunktion ausübt.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das SMA- Element (30; 130; 230) dem Abgas der Brennkraftmaschine di­ rekt oder indirekt ausgesetzt ist.

3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das SMA- Element (230) als im wesentlichen stabförmiges, linear dehn­ bares Stell- oder Steuerglied ausgebildet ist.

4. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das SMA- Element (30; 130) als Schraubenfeder ausgebildet ist.

5. Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrau­ benfeder so angeordnet und ausgebildet ist, daß temperaturbe­ dingte Längenänderungen der Schraubenfeder eine lineare Ver­ stellung eines Funktionsgliedes bewirken.

6. Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrau­ benfeder so angeordnet und ausgebildet ist, daß temperaturbe­ dingte Längenänderungen der Schraubenfeder eine Drehverstel­ lung eines Funktionsgliedes bewirken.

7. Aktuator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem als Schraubenfeder ausgebildeten SMA-Element (30; 130) eine eben­ falls als Schraubenfeder ausgebildete Rückholfeder (40; 140) zugeordnet ist.

8. Aktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schraubenfedern konzentrisch ineinander angeordnet sind, wo­ bei die Schraubenfedern an ihrem einen Ende miteinander und an ihrem anderen Ende mit einem Funktionsglied verbunden sind.

9. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das SMA- Element (30) zum Verstellen eines im Abgasstrom der Brenn­ kraftmaschine angeordneten Bypassventils (12) dient.

10. Aktuator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bypass­ ventil (12) ein drehbares schaufelförmiges Ventilglied (20) aufweist, das von der Rückholfeder (40) in eine Ausgangsstel­ lung vorgespannt wird, in der es den Abgasstrom der Brenn­ kraftmaschine zu einem Katalysator leitet, und das bei Über­ schreiten einer vorgegebenen Abgastemperatur von dem SMA- Element (30) in eine Bypassstellung verstellt wird, in der es den Abgasstrom in einen Bypasskanal (18) zum Kühlen des Abga­ ses leitet.

11. Aktuator nach den Ansprüchen 4 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil­ glied (20) an einer hülsenförmigen Nabe (22) befestigt ist, die um die Drehachse des Ventilgliedes (20) drehbar gelagert ist, und daß das als Schraubenfeder ausgebildete SMA-Element (30) mit seinem einen Ende an der Nabe (22) und mit seinem anderen Ende an einem durch die Nabe (22) verlaufenden fest­ liegenden Schaft (34) befestigt ist.

12. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SMA- Element (230) zum Steuern des veränderlichen Einlaß­ querschnittes einer Resonatorkammer (112) dient, die an einem Einlaßrohr (116) eines Schalldämpfers (114) des Abgassystems angeschlossen ist.

13. Aktuator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der verän­ derliche Einlaßquerschnitt der Resonatorkammer (112) dadurch gebildet ist, daß ein Rohrschieber (120) auf dem Einlaßrohr (116) gleitend so verschiebbar ist, daß ein am Rohrschieber (120) angeformter, beidseitig offener rohrförmiger Ansatz (124) eine zur Resonatorkammer führende seitliche Öffnung (122) des Einlaßrohres (116) veränderlich überdeckt.

14. Aktuator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohr­ schieber (120) durch eine Rückholfeder (140) in einer axialen Richtung in Anlage mit einem abgasrohrfesten Anschlag (126) vorgespannt ist und von dem SMA-Element (130) in der entge­ gengesetzten axialen Richtung beaufschlagt wird.

15. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das SMA- Element (230) als bewegliches Kontaktstück eines elektrischen Schalters (212) dient.

16. Aktuator nach den Ansprüchen 3 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß das im we­ sentlichen stabförmig ausgebildete, linear dehnbare SMA- Element (230) mit seinem einen Ende in einem Gehäuse (214) des Schalters (212) festgelegt ist und an seinem entgegenge­ setzten Ende mit zwei Kontaktstiften (218, 220) zusammen­ wirkt.

17. Aktuator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das SMA- Element (230) im Gehäuse (214) durch Walzen festgelegt ist.